Стимулирование и стабилизация горения этилена в сверхзвуковом потоке с помощью плазмы электрических разрядов.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-79-10408

НазваниеСтимулирование и стабилизация горения этилена в сверхзвуковом потоке с помощью плазмы электрических разрядов.

Руководитель Фирсов Александр Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук , г Москва

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова сверхзвуковой поток, электрический разряд, горение, плазма, интенсификация смешения, интенсификация горения, плазменно-стимулированное горение, горение в сверхзвуковом потоке, ГПВРД, плазменная аэродинамика, физика плазмы, искровой разряд, дуговой разряд, разряд постоянного тока.

Код ГРНТИ29.27.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка перспективных высокоскоростных летательных аппаратов - в том числе, гиперзвуковых самолетов и ракет, а также систем многоразовой доставки грузов на околоземную орбиту - включает в себя решение задачи по созданию гиперзвукового двигателя, предназначенного для полета с числом Маха М > 5. Помимо классических ракетных двигателей, использующих окислитель, расположенный на борту, обширные исследования ведутся в области разработки гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД), основным преимуществом которого является использование в качестве окислителя набегающего воздушного потока. ГПВРД принципиально отличается от турбореактивного двигателя (ТРД) сверхзвуковым течением на входе в камеру сгорания и отсутствием вращающихся механизмов, турбины и компрессора. Последние на высоких числах Маха термодинамически мало эффективны и приводят к значительным потерям полного давления. Ввиду того, что нормальное функционирование ГПВРД возможно только на высоких скоростях полета, активно рассматриваются комбинированные системы, сочетающие ГПВРД и ракетный ускоритель, или сочетающие ГПВРД и ТРД. В качестве примера последнего случая можно привести проект TRRE (Turbo-aided Rocket-augmented Ram/scramjet Engine), разрабатываемый в Китае, и проект AFRE (Advanced Full Range Engine), разрабатываемый в США. В таком случае достаточно удобным является сохранение в качестве топлива для ГПВРД стандартного авиационного керосина. Однако воспламенение жидкого углеводородного топлива затруднительно в условиях, реализующихся в камерах сгорания ГПВРД. Нашей научной группой совместно со специалистами ЦАГИ было получено успешное воспламенение жидкого и газообразного углеводородных топлив в сверхзвуковом потоке воздуха при М=2,5 посредством электрического разряда. Этилен может использоваться как основное, так и вспомогательное топливо. Этилен часто используется как модельное топливо, т.к. он превалирует в продуктах термического крекинга общепринятых авиационных топлив. Выбор этилена также обусловлен тем, что в жидкой фазе его плотность существенно выше, чем у метана: 566кг/м3 против 416кг/м3 при 273К, а в газовой фазе плотность выше почти в 2 раза. Поэтому интенсификация смешения, стимулирование и стабилизация горения этилена в сверхзвуковом потоке с помощью плазмы электрических разрядов является актуальной научной проблемой, решение которой будет содействовать появлению реальных аппаратов с ГПВРД и позволит расширить диапазон рабочих условий. В проекте предлагается провести комплексное экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование, направленное на решение ключевых проблем ГПВРД: на уменьшение времени образования перемешанного объема t_mix, на уменьшение времени индукции смеси t_ind, а также на поиск оптимального соотношения между этими временами с целью снижения негативного влияния продуктов реакции на дальнейшее смешение топлива с окислителем. Оптимальным средством для управления t_mix и t_ind является электрический разряд, обладающий высокими частотами работы (сотни килогерц) и высокой химической активностью плазмы. Задачи в рамках концепции плазменно-стимулированного горения, рассматриваемые в проекте, включают в себя 1) исследование влияния гидродинамических и химических процессов на параметры электроразрядной плазмы в сверхзвуковом потоке; 2) управление структурой топливной струи и смешением при помощи электрических разрядов; 3) параметрическое исследование границ устойчивого горения, полноты сгорания и тяговой характеристики модельного двигателя при плазменно-стимулированном горении этилена в сверхзвуковой камере сгорания (КС) в различных геометрических конфигурациях. В данных направлениях активно ведутся исследования в США, Китае, Франции, Австралии и других странах, что показывает высокий уровень значимости проблемы. Вместе с тем известные по литературе работы далеки от завершения с точки зрения практического применения. В настоящее время российские ученые (в частности, работающие в ОИВТ РАН) обладают приоритетом в части исследования влияния плазмы электрических разрядов на характеристики сверхзвуковых потоков и горения. Решение первой задачи является основой для последующих научно технических решений, и включает в себя исследование динамики, электрических и плазмохимических характеристик разрядов при использовании источников питания с различными временными характеристиками (постоянный ток, переменный ток, комбинированные источники на современной полупроводниковой элементной базе), позволяющими варьировать параметры плазмы, такие как геометрия разряда, температура газа и концентрация активных частиц, содействующих ускорению химических реакций. Параметры потока термохимически неравновесной газовоздушной смеси в окрестности разряда будут получены как экспериментально, так и с помощью моделирования течения с учетом химической и ионизационной кинетики в самосогласованном электрическом поле. Моделирование будет выполнено в уникальном программном комплексе PLASMAERO, разработанном в ОИВТ РАН. Предыдущие экспериментальные исследования, проведенные авторским коллективом, показали, что для организации стабильного воспламенения в сверхзвуковом потоке при ограниченном энерговкладе в разряд необходимо создание протяженной плазменной области. Длина разряда ограничена механизмами вторичного пробоя между элементами разрядной петли, которые в данный момент не описаны, также как не описаны работа разряда в сверхзвуковом потоке от источника переменного тока или источника комбинированного типа. Предварительные эксперименты выявили ряд важных для практического использования особенностей, которые требуют детального исследования и описания. Решение второй задачи - это один из ключевых пунктов при организации горения в сверхзвуковом потоке даже в случае самовоспламенения смеси. В случае предварительно не перемешанных компонент интенсивность горения и полнота сгорания топлива определяются не столько скоростью химических реакций, сколько темпом смешения. Решение задачи интенсификации смешения является первостепенным требованием для организации эффективного горения в сверхзвуковом потоке. Проведенные исследования позволяют предполагать, что наиболее перспективным решением может быть генерация газодинамических возмущений внутри инжектора или на выходе струи топлива в основной поток, приводящих к усилению гидродинамической неустойчивости в сдвиговом слое на границе струи и потока. Для генерации таких возмущений планируется применить периодический искровой разряд и/или диэлектрический барьерный разряд (ДБР) соответствующей частоты. Исследования возможности влияния с помощью протяженного искрового разряда на струю топлива в сверхзвуковом потоке на некотором расстоянии от инжектора были выполнены ранее и опубликованы нашей научной группой, и новизна предлагаемого в данном проекте решения заключается именно в инициировании либо интенсификации гидродинамической неустойчивости на границе струи, а не в прямом механическом перемешивании за счет газодинамики распада тепловой каверны искрового разряда. Ожидается, что при таком подходе энерговклад в разряд будет значительно ниже, а скорость перемешивания выше, чем в случае сильноточных разрядов. Данная задача будет решаться как с помощью численного моделирования (предварительная оптимизация геометрии), так и экспериментально. Для оптимальной конфигурации плазменного актуатора, интенсифицирующего смешение, будет выполнено прямое сравнение полноты сгорания при плазменно-стимулированном горении этилена для случаев с актуатором смешения и без него. Третья задача включает в себя комплекс исследований в области управления плазменно-стимулированным горением в сверхзвуковом потоке, включая подавление возникающих неустойчивостей горения и стабилизацию фронта пламени. Обнаруженные ранее неустойчивости имеют характерные частоты в диапазоне 100-1500 Гц и могут приводить к срыву фронта пламени. Основным механизмом развития глобальной низкочастотной неустойчивости горения в сверхзвуковом потоке является периодическое возникновение нестационарной отрывной зоны с последующим запиранием потока. Высокочастотная мода неустойчивости имеет термо-акустическую природу и возникает вследствие замыкания обратной связи через дозвуковую зону интенсивного тепловыделения. Использование электрических разрядов с возможностью активного управления мощностью, частотой модуляции и положением энергоподвода, а также обратной связи этих характеристик с давлением в камере сгорания позволит обеспечить активное управление возникающими неустойчивостями горения. В работе будут рассмотрены несколько геометрических конфигураций, и выполнено их сравнение между собой: плазменно-стимулированное горение на плоской стенке (а), горение при использовании для инжекции и локализации разряда пилона (б) и уступа (в). Исследования в каждой отдельной конфигурации проводились ранее в различных группах, и частично были рассмотрены в том числе и нашим коллективом, но прямого сравнения в идентичных условиях не выполнялось. Отметим, что стабилизация пламени на плоской стенке при низкой температуре не может быть реализована без активного воздействия на скорость протекания химических реакций, например при помощи плазмы. Проведенные ранее эксперименты показывают, что даже при использовании постоянно действующего электрического разряда с локальной максимальной температурой более 4000 К, воспламенение происходит не во всех случаях вследствие низких скоростей кинематического перемешивания и распространения фронта пламени. Как следствие, задача организации горения не перемешанных потоков топлива и окислителя сводится не только к воспламенению, но и к поддержанию\стабилизации фронта горения. Для этого требуется обеспечить соответствующие условия для конверсии топлива в слое смешения за время существования такого слоя, после чего возможно воспламенение смеси. В условиях высокоскоростного потока и ограниченного размера камеры сгорания интервал времени, доступный для завершения процессов смешения и горения, оказывается коротким, менее 1мс, что влечет за собой особые требования к структуре потока, включая зоны локальных нестационарных отрывных течений. Рассмотрение взаимного влияния химических реакций и гидродинамических процессов в камере сгорания будет одним из важнейших аспектов предлагаемой работы. С помощью численного моделирования на основании решения уравнений Навье-Стокса и детального кинетического механизма, включая плазмохимию, будет выполнено параметрическое исследование с целью поиска электрических и геометрических параметров разряда для снижения времени индукции реагирующей смеси. Определенные с помощью расчетно-теоретического исследования характеристики разряда будут реализованы в эксперименте, будут определены диапазоны устойчивого горения, проведено сравнение с известными данными (диаграмма Озавы), определены полнота сгорания и тяговые характеристики модельной камеры сгорания. Будет также выполнено сравнение с исходной (опробованной в предыдущих исследованиях) конфигурацией. Таким образом, комплексная научно-техническая проблема, решению которой будет посвящен данный проект, заключается в исследовании особенностей плазмы электрического разряда в сверхзвуковом потоке воздуха и применению этого фундаментального знания для интенсификации смешения, стимулирования и стабилизация горения этилена в сверхзвуковом потоке с помощью плазмы электрических разрядов. Актуальность научной проблемы подтверждается как высоким интересом к данной тематике российских и зарубежных научных групп, так и отсутствием подробных и достоверных научных результатов исследований в ключевых направлениях, представленных в проекте. Научная новизна проекта обусловлена как новизной поставленных задач, так и комплексным подходом, включающим в себя расчетно-теоретический анализ плазмы разряда и горения с учетом плазмохимии в сверхзвуковом потоке воздуха, и основанное на результатах численного моделирования комплексное экспериментальное исследование смешения, воспламенения и стабилизации пламени этилена в сверхзвуковом потоке с помощью электрического разряда. Основными результатами проекта будут новые знания о физике плазмы электрического разряда в сверхзвуковом потоке воздуха и особенностях применения такого разряда в задачах интенсификации смешения, стимулирования и стабилизации горения этилена в сверхзвуковом потоке воздуха. Выполнение работы в рамках предложенного проекта позволит создать фундаментальный задел и обеспечит приоритет Российской Федерации в области развития технологии плазменно-стимулированного горения в ГПВРД.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Тарасов Д.А., Фирсов А.А., Моделирование разряда постоянного тока в сверхзвуковом потоке Королёвские чтения XLVI Академические чтения по космонавтике, секция 7 (год публикации - 2022)

2. Фирсов А.А., Тарасов Д.А., CFD Simulation of DC-discharge in Supersonic Airflow АIP Conference Proceedings (год публикации - 2022)

3. Фирсов А.А., Битюрин В.А., Тарасов Д.А., Добровольская А.С., Трошкин Р.С., Бочаров А.Н., Longitudinal DC Electric Discharge in a Supersonic Flow АIP Conference Proceedings (год публикации - 2022)

4. Фирсов А.А., Тарасов Д.А., Продольный электрический разряд постоянного тока в сверхзвуковом потоке Королёвские чтения XLVI Академические чтения по космонавтике, секция 7 (год публикации - 2022)

5. Фирсов А.А., Тарасов Д.А., Битюрин В.А., Добровольская А.С., Бочаров А.Н. Продольный разряд в сверхзвуковом потоке, часть 1: двухмерное численное моделирование XXI Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике, 26-28 апреля 2022г., с.43-46 (год публикации - 2022)

6. Фирсов А.А., Трошкин Р.С., Битюрин В.А., Продольный разряд в сверхзвуковом потоке, часть 2: экспериментальное исследование XXI Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике, 26-28 апреля 2022г., с.47-49 (год публикации - 2022)

7. Тарасов Д.А., Фирсов А.А., Трехмерное моделирование продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха XXI Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике, 26-28 апреля 2022г., с.50-52 (год публикации - 2022)

8. Битюрин В.А., Бочаров А.Н., Добровольская А.С., Филимонова Е.А., Фирсов А.А., Численное моделирование продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха. О перепробое продольно-поперечного разряда XXI Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике, 26-28 апреля 2022г., с.96-100 (год публикации - 2022)

9. Филимонова Е.А., Добровольская А.С. Модификация и тестирование кинетической модели для задач плазменно-стимулированного горения в смеси этилен-воздух XXI Международное Совещание по Магнитоплазменной Аэродинамике, 26-28 апреля 2022г., с.129-132 (год публикации - 2022)

10. Фирсов А.А., Битюрин В.А., Тарасов Д.А., Добровольская А.С., Трошкин Р.С., Бочаров А.Н. Longitudinal DC Discharge in a Supersonic Flow: Numerical Simulation and Experiment Energies, 15(19), 7015 (год публикации - 2022)
10.3390/en15197015

11. Трошкин Р.С., Фирсов А.А., Parameters of a Longitudinal DC Discharge in a Supersonic Air Flow Plasma Physics Reports, Vol. 49, No. 5, pp. 640–648 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063780X22601870

12. Перевощиков Е.Е., Фирсов А.А. Influence of Current and Interelectrode Gap on Characteristics of Longitudinal-Transverse Discharge in a Supersonic Airflow Plasma Physics Reports, Vol. 49, No. 5, pp. 634–639. (год публикации - 2023)
10.1134/S1063780X22601894

13. Фирсов А.А., Тарасов Д.А., Трошкин Р.С., Перевощиков Е.Е., Добровольская А.С., Битюрин В.А. Longitudinal dc discharge in a supersonic flow: numerical simulation and experimental investigation XXI International conference on the methods of aerophysical research, Издательство Сибирского отделения РАН, Новосибирск, Part II, pp49-50 Edited by A.N. Shiplyuk, (год публикации - 2022)
10.53954/9785604788974_49

14. Битюрин В.А., Бочаров А.Н., Добровольская А.С., Попов Н.А., Фирсов А.А. Re-Breakdown Process at Longitudinal-Transverse Discharge in a Supersonic Airflow Plasma Physics Reports, Vol. 49, No. 5, pp. 575–586. (год публикации - 2023)
10.1134/S1063780X22601869

15. Фирсов А.А., Битюрин В.А., Добровольская А.С., Тарасов Д.А., Трошкин Р.С., Бочаров А.Н. Properties of direct current discharge in a supersonic airflow for combustion applications book "Nonequilibrium processes: Plasma, combustion, and atmosphere" / [Edit by S.M. Frolov and A.I Lanshin]. – Moscow: TORUS PRESS, 258 p., 85-90 pp. (год публикации - 2022)
10.30826/NEPCAP10A-27

16. Фирсов А.А., Битюрин В.А., Добровольская А.С., Тарасов Д.А., Перевощиков Е.Е., Бочаров А.Н. Re-breakdown process for longitudinal-transverse DC discharge in a supersonic flow book "Nonequilibrium processes: Plasma, combustion, and atmosphere" / [Edit by S.M. Frolov and A.I Lanshin]. – Moscow: TORUS PRESS, 258 p., 69-72 pp. (год публикации - 2022)
10.30826/NEPCAP10A-23

17. Добровольская А.С., Филимонова Е.А. Kinetic scheme preparation and its application for solving problems of plasma-assisted combustion in the ethylene-air mixture book "Nonequilibrium processes: Plasma, combustion, and atmosphere" / [Edit by S.M. Frolov and A.I Lanshin]. – Moscow: TORUS PRESS, 258 p., 66-68 pp. (год публикации - 2022)
10.30826/NEPCAP10A-22

18. Филимонова Е.А., Добровольская А.С. Adaptation of the Kinetical Scheme to Ethylene Combustion Conditions at Temperatures Above 1200 K Russian Journal of Physical Chemistry B, Vol. 17, No. 6, pp. 1285–1293. (год публикации - 2023)
10.1134/S1990793123060167

19. Фирсов А.А., Волков Л.С., Мирошников Я.В. Simulation of the mixing of a supersonic air flow with a transverse jet under the conditions of pulse-periodic local heating The 3rd International Conference on High-Speed Vehicle Science and Technology, 14-19 April 2024, proceedings., HiSST-2024-194 (год публикации - 2024)

20. ФИРСОВ А.А., ТАРАСОВ Д.А., ДОБРОВОЛЬСКАЯ А.С., ТРОШКИН Р.С., ПЕРЕВОЩИКОВ Е.Е., БИТЮРИН В.А., БОЧАРОВ А.Н. СВОЙСТВА РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ, И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ЗАДАЧАХ ПЛАЗМЕННОЙ АЭРОДИНАМИКИ XIII ВСЕРОССИЙСКИЙ СЪЕЗД ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКЕ Сборник тезисов докладов. В 4-х томах. Санкт-Петербург, Страницы: 849-851 (год публикации - 2023)

21. ВОЛКОВ Л.С., ФИРСОВ А.А. РАСЧЁТ ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЛОКАЛЬНОГО НАГРЕВА НА ПОПЕРЕЧНУЮ СТРУЮ, ИНЖЕКТИРУЕМУЮ В СВЕРХЗВУКОВОЙ ПОТОК XIII ВСЕРОССИЙСКИЙ СЪЕЗД ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКЕ Сборник тезисов докладов. В 4-х томах. Санкт-Петербург, 2023, Страницы: 334-337 (год публикации - 2023)

22. ТАРАСОВ Д.А., ФИРСОВ А.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДОЛЬНОГО И ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ ВОЗДУХА XIII ВСЕРОССИЙСКИЙ СЪЕЗД ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКЕ Сборник тезисов докладов. В 4-х томах. Санкт-Петербург. Том 2, Страницы: 825-827 (год публикации - 2023)

23. ФИРСОВ А.А., ТРОШКИН Р.С., ВОЛКОВ Л.С., ТАРАСОВ Д.А., ДОБРОВОЛЬСКАЯ А.С., БИТЮРИН В.А., БОЧАРОВ А.Н. Properties of Direct Current Discharge in a Supersonic Flow, and Its Application for Plasma-Assisted Combustion The 3rd International Conference on High-Speed Vehicle Science and Technology, 14-19 April 2024, proceedings., HiSST-2024-193 (год публикации - 2024)

24. Волков Л.С., Фирсов А.А. Влияние частоты импульсного энерговклада на интенсификацию смешения дозвуковой и сверхзвуковой вторичной поперечной струи с потоком воздуха АКАДЕМИЧЕСКИЕ ЧТЕНИЯ ПО КОСМОНАВТИКЕ 2024 Сборник тезисов, посвященный памяти академика С.П. Королёва, 7.4 (год публикации - 2024)

25. Волков Л.С., Фирсов А.А. Моделирование влияния импульсно-периодического нагрева на формирование возмущений на границе поперечной струи в сверхзвуковом потоке Компьютерные исследования и моделирование, т. 15, № 4, с. 845-860 (год публикации - 2023)
10.20537/2076-7633-2023-15-4-845-860

Публикации

2. Фирсов А.А., Тарасов Д.А., CFD Simulation of DC-discharge in Supersonic Airflow АIP Conference Proceedings (год публикации - 2022)

Публикации

2. Фирсов А.А., Тарасов Д.А., CFD Simulation of DC-discharge in Supersonic Airflow АIP Conference Proceedings (год публикации - 2022)